Sensor
Ein Sensor (lateinisch sensus: "Gefühl") oder (Mess-)Fühler ist ein technisches Bauteil, das neben bestimmten physikalischen oder chemischen Eigenschaften (z. B.: Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallwechseldruck, Schall, Helligkeit, Magnetismus, Beschleunigung, Kraft) auch die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Die Begriffe Sensor und Messgerät sind klar voneinander abgegrenzt: Der Sensor misst und das Messgerät verarbeitet die Umweltbedingungen. Sensoren, die Strahlung (z. B. Licht, Röntgenstrahlung) oder Teilchen nachweisen, bezeichnet man als Strahlungs- bzw. Teilchendetektoren. Auch ein normales Mikrofon ist ein Sensor für den Schallwechseldruck.
Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Sensoren:
- Aktive Sensoren: Geben eine Spannung oder einen Strom ab wenn sich der zu messende Zustand ändert und sind selbst energieverbrauchend. Sensoren mit digitalem Ausgang gehören ebenfalls zu den aktiven Sensoren. Die aktiven Sensoren wandeln nicht elektrische Größen direkt in elektrische Größen um. Sie wirken somit wie elektrische Spannungsquellen.
- Passive Sensoren: Ändern über elektrische Eigenschaften, elektrische Größen (z.B. Widerstand). Sie funktionieren derart, dass nicht elektrische Größen ohne Energieumwandlung elektrische Größen beeinflussen.
Des Weiteren unterscheiden sich Sensoren in verschiedenen Auflösungsarten:
- Temporale Auflösung: Zeit zwischen zwei Aufnahmen.
- Spektrale Auflösung: Bandbreite der Spektralkanäle, Anzahl der verschiedenen Bänder.
- Radiometrische Auflösung: Kleinste Differenz der Strahlungsmenge, die der Sensor unterscheiden kann.
- Geometrische Auflösung: Räumliche Auflösung, d.h. Größe eines Pixels.
Der Begriff Sensor wird in der Technik und in den Lebenswissenschaften (Biologie und Medizin) verwendet, seit einigen Jahren verstärkt auch in den Naturwissenschaften. Beispiel für letztere sind Anwendungen von CCD-Bildsensoren (= Charge-coupled Device) und Teilchenzähler in der Astronomie, Geodäsie und Raumfahrt.
In der Technik spielen Sensoren in automatisierten Prozessen als Signalgeber eine wichtige Rolle. Die von ihnen erfassten Werte oder Zustände werden, meistens elektrisch-elektronisch verstärkt, in der zugehörigen Steuerung verarbeitet, die entsprechende weitere Schritte auslöst. In den letzten Jahren wird diese anschließende Signalverarbeitung auch zunehmend im Sensor vorgenommen. Solche Sensoren beinhalten einen Mikroprozessor oder ein Mikrosystemen und besitzen sozusagen „Intelligenz“, daher werden sie auch als Smart-Sensoren (engl. smart sensors) bezeichnet.
Sensorübersicht nach Messgröße
Beispiele für Sensoren (alphabetisch):
- Durchflusssensor,
- Induktiver Durchflussmesser, Magnetisch Induktive Durchflussmesser (MIDs)
- Kapazitiver Durchflussmesser
- Massendurchflussmessverfahren nach dem Coriolis-Prinzip
- Ultraschalldurchflusssensor
- Thermischer Massenfluss-Sensor wie z. B. **Luftmassensensor
- Halbleiterdetektor
- Hallsensor (magnetische Sensoren)
- Klopfsensor (Vibrationssensor)
- Optosensor
- Charge-coupled Device (CCD)
- Super-CCD-Sensor (SCCD)
- CMOS-Sensor
Sensoren nach Messprinzip
Beispiele für Sensoren kategorisiert nach Messgrößen:
Resistive Sensoren
Beruhen auf dem Effekt der elektrischen Widerstandsänderung.
- Dehnungsmessstreifen (DMS)
- Halbleiter-Dehnungsmessstreifen
- Metall-Dehnmessstreifen
- Draht-Dehnungsmessstreifen
- Folien-Dehnungsmessstreifen
- Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen
Siehe auch: ohmsche Sensoren
Beruhen auf magnetischer Induktion (dem physikalischen Effekt der Elektrodynamik)
Differentialtransformator
Der Differentialtransformator beruht auf den physikalischen Gesetzen des Elektromagnetismus. Bei einem Differentialtransformator wird eine Wegstrecke x durch Induktionsänderung gemessen. An eine Primärspule wird eine Eingangswechselspannung gelegt. Gegenüber von dieser ersten Spule befindet sich eine zweite Spule, die unterteilt ist, so dass das mittlere linke Ende mit dem äußersten rechten verbunden ist und der Abgriff zwischen dem äußersten linken und dem mittleren rechten liegt. Dort wird die Ausgangsspannung abgegriffen. Wird ein Eisenkern, der sich zwischen den beiden Spulen befindet um die Strecke x verschoben, ändert sich die Induktion. Wird er über die mittlere Position hinaus verschoben, ändert sich die Polarität am Abgriff der Ausgangsspannung.
die auf den physikalischen Gesetzen des Elektromagnetismus beruhen, aber nicht wie oben zwei oder mehrere Spulen besitzen, sondern nur eine Spule.
- Einspulen-Längsanker-Induktivaufnehmer
- Differenzspulen-Längsanker-Induktivaufnehmer
- Differenzspulen-Queranker-Induktivaufnehmer
die auf dem Prinzip des Wirbelstroms beruhen
- Längsanker-Wirbelstromaufnehmer
- Queranker-Wirbelstromaufnehmer
- Blechdickensensoren
- Schichtdickensensoren
die auf einer Veränderung des magnetischen Feldes beruhen
die auf den Gesetzen des magnetischen Feldes beruhen und hart- oder weichmagnetische Werkstoffe enthalten
die auf dem Effekt der magnetischen Permeabilitätsänderung bei Längenänderung beruht
beruhen auf einer Änderung der Kapazität eines Kondensators
beruhen auf dem Effekt, dass besondere Kristalle auf Druck eine elektrische Spannung abgeben (Piezoelektrizität)
- Piezoelektrischer Kraftsensor
- Piezoelektrischer Drucksensor
- Piezoelektrischer Beschleunigungssensor
- Piezoelektrischer Magnetfeldsensor
Optoelektronische Sensoren
Optoelektronische Sensoren haben die Aufgabe, optische Informationen in elektrisch auswertbare Signale umzuwandeln. Dabei beschränkt man sich vornehmlich auf sichtbares Licht, sowie Infrarotstrahlung und ultraviolettes Licht. Grundlage der optischen Sensoren ist die Wandlung der Signale durch quantenmechanische Effekte von Licht (Fotoeffekt).
So nutzen z. B. Fotozellen den äußeren Fotoeffekt. Optische Sensoren können auch auf dem inneren fotoelektrischen Effekt beruhen, sie bestehen größtenteils aus Halbleitern, in denen beim Einwirken von Licht Ladungsträger entstehen die die elektrischen Eigenschaften des Materials ändern. Das einfallende Licht verursacht daher entweder eine veränderte elektrische Leitfähigkeit (Fotowiderstand) oder eine Fotospannung (Fotodiode bzw. Fotoelement). Eine spezielle Variante des inneren Fotoeffekts ist der Sperrschichtfotoeffekt (fotovoltaischer Effekt) er wird bei Halbleiterdetektoren (Fototransistor, Fotothyristor) genutzt.
Technische Anwendung finden optische Sensoren bei Lagemessungen (z. B. Lichtschranke), Drehzahl- und Winkelmessung sowie bei der Abstandsmessung. Nicht zu vergessen sind auch die optischen Sensoren in digitalen Foto- und Videokameras (CMOS- und CCD-Sensor) und in der Mustererkennung (z. B. Barcodescanner).
beruhen grundsätzlich auf zwei Prinzipien. Entweder auf der Kontaktthermometrie oder auf der Strahlungsthermometrie.
- Widerstandsthermometer - beruhen auf einer Widerstandsänderung
- Temperatur Sensor IC's (TSic) sind Temperatursensoren in Halbleiter-Technologie und basieren auf dem PTAT Messprinzip (proportional-to-absolute-temperature analog output). Sie wandeln das Analogsignal direkt auf dem Sensorchip mit dem D/A-Wandler in ein Digitalsignal. Dieses wird zu einem linearen Signal über den gesamten Messbereich (z. B. -50 °C - 150 °C) aufbereitet. Damit können Messgenauigkeiten von 0,5 °C bis 0,05 °C erreicht werden.
- Thermoelemente beruhen auf dem thermoelektrischen Effekt
- Verteilte faseroptische Temperatursensoren messen das Temperaturprofil entlang einer Glasfaser (Faseroptische Temperaturmessung). Diese Messtechnik basiert auf dem Raman-Effekt.
- Hohlspiegel-Gesamtstrahlungspyrometer
- Fotoelektrisches Gesamtstrahlungspyrometer
Weiterführende Themen
Signalaufbereitung
Typische Verstärker zur Signalaufbereitung:
- Instrumentierungsverstärker
- Isolierverstärker
- Chopper-Verstärker
- Lock-In-Verstärker
Literatur
- Schiessle, Edmund: Sensortechnik und Messwertaufnahme, Würzburg, 1992
- Jörg Hoffmann: Taschenbuch der Messtechnik, Leipzig, 2002
- Schmidt, Wolf-Dieter:Sensorschaltungstechnik Würzburg, 2002
Siehe auch
Messtechnik, Messgeräte, Sensorik, Distanzsensor
Weblinks
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